專利名稱：鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，特別是指一種鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
光時(shí)分復(fù)用(OTDM)技術(shù)是目前擴(kuò)展光通信系統(tǒng)傳輸容量的一種解決方案，但是由于OTDM系統(tǒng)自身的難度，因此發(fā)展還處于實(shí)驗(yàn)室水平。目前該系統(tǒng)的容量已經(jīng)達(dá)到1.45THz，將來波分復(fù)用(WDM)和OTDM系統(tǒng)的組合將更加充分有效地利用光纖通信帶寬，因此具有非常廣泛的應(yīng)用前景。OTDM系統(tǒng)是在時(shí)域上對(duì)光脈沖信號(hào)進(jìn)行分割來分組編碼，因此要求光脈沖的寬度足夠窄。一般要求光脈沖寬度要小于復(fù)用信號(hào)重復(fù)周期的1/3，并且要求脈沖抖動(dòng)很小，系統(tǒng)總的時(shí)間抖動(dòng)均方根值不應(yīng)大于信道時(shí)隙的1/14。目前應(yīng)用比較廣泛的是鎖模光纖激光器以及鎖模光纖環(huán)形激光器，采用主動(dòng)鎖模技術(shù)，調(diào)制器一般為EA調(diào)制器、鈮酸鋰(LiNbO3)行波調(diào)制器，或者直接對(duì)半導(dǎo)體光放大器進(jìn)行調(diào)制，最高調(diào)制速率達(dá)到了40GHz。鎖模光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)是脈寬窄、量子噪聲低、功率大；缺點(diǎn)是長期工作穩(wěn)定性問題，例如機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等因素導(dǎo)致的波長漂移以及重復(fù)頻率的變化。另一類實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率光脈沖的方法是采用外腔結(jié)構(gòu)的激光器，由半導(dǎo)體激光器有源區(qū)和外腔反射鏡構(gòu)成，外腔反射鏡一般為體光柵結(jié)構(gòu)。這種器件的優(yōu)點(diǎn)是可以通過改變腔長來方便地改變脈沖重復(fù)頻率，并且還可以調(diào)諧脈沖的波長；缺點(diǎn)是器件結(jié)構(gòu)不緊湊、尺寸較大，并且穩(wěn)定性不高，光路調(diào)節(jié)也比較困難。單片集成的鎖模半導(dǎo)體激光器由于其結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定而引起了人們的重視，隨著EA調(diào)制器和半導(dǎo)體激光器的集成技術(shù)的發(fā)展，單片集成主動(dòng)鎖模激光器便隨之發(fā)展起來。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室90年代初制作了重復(fù)頻率2.5～10GHz的集成式主動(dòng)鎖模激光器，日本NTT公司的K.Sato等制作了重復(fù)頻率20GHz、40GHz的單片集成式主動(dòng)鎖模激光器(見IEEE J.Selected Topics in Quantum Electronics，5(3)，1999，“Chirped-compensated 40GHz mode-locked lasers integrated with electroabsorptionmodulators and chirped gratings”)。
由上所述，單片集成的鎖模半導(dǎo)體激光器無疑是最好的脈沖發(fā)射光源，然而器件的制作非常復(fù)雜，因此低成本的鎖模激光器便是發(fā)展的一個(gè)方向，其中光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器用于超短光脈沖發(fā)射光源獲得了一定的發(fā)展。傳統(tǒng)的配置是半導(dǎo)體激光器和光纖光柵對(duì)接耦合，通過直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器有源區(qū)注入電流來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)鎖模。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器有源區(qū)比較長，結(jié)電容和寄生電容都比較大，因此直接調(diào)制速率達(dá)到10GHz比較困難。在ECOC2001會(huì)議上D.Arbel報(bào)道了在半導(dǎo)體激光器有源區(qū)制作兩段式結(jié)構(gòu)，較短的一段加上反向偏壓作為可飽和吸收體，較長的一段作為有源區(qū)，然后與光纖光柵耦合形成一種混合集成式鎖模半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。這種器件的缺點(diǎn)是可飽和吸收區(qū)和有源區(qū)的結(jié)構(gòu)相同，沒有調(diào)制信號(hào)時(shí)可飽和吸收區(qū)的光吸收也比較大，從而使得半導(dǎo)體激光器激射閾值電流升高。另外可飽和吸收區(qū)也不能提供足夠高的調(diào)制深度，造成光脈沖序列的消光比不高，不能產(chǎn)生變換極限的光脈沖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其中電吸收調(diào)制區(qū)和激光器有源區(qū)為單片集成式結(jié)構(gòu)，再和光纖光柵對(duì)接耦合形成混合集成式結(jié)構(gòu)。通過電吸收調(diào)制器對(duì)光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器諧振腔內(nèi)的光進(jìn)行損耗調(diào)制，在特定的調(diào)制頻率下產(chǎn)生主動(dòng)鎖模效應(yīng)，產(chǎn)生超短光脈沖序列并由光纖輸出。其優(yōu)點(diǎn)是降低了光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器的激射閾值電流，增大了光脈沖序列的消光比。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是還可以利用分?jǐn)?shù)諧波(sub-harmonic)鎖模效應(yīng)使輸出脈沖重復(fù)頻率達(dá)到調(diào)制頻率的數(shù)倍。
本發(fā)明一種鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中包括一半導(dǎo)體激光器，該半導(dǎo)體激光器構(gòu)成整個(gè)器件的激光增益裝置，其中間為量子阱結(jié)構(gòu)有源層，在該半導(dǎo)體激光器上制作有激光器電極；一電吸收調(diào)制器，在該電吸收調(diào)制器上制作有調(diào)制器高頻電極，該電吸收調(diào)制器與半導(dǎo)體激光器集成在同一芯片上，該電吸收調(diào)制器構(gòu)成整個(gè)器件的調(diào)制裝置，其中間為量子阱結(jié)構(gòu)電吸收層；一單模光纖；
一光纖光柵，該光纖光柵制作在單模光纖上；該光纖光柵與半導(dǎo)體激光器對(duì)接耦合。
其中電吸收調(diào)制器的端面鍍制高反射膜。
其中半導(dǎo)體激光器內(nèi)端面鍍制增透膜。
其中光纖的端面鍍制增透膜。
其中單模光纖的端面被加工成光纖透鏡，使耦合效率盡可能高，以增加半導(dǎo)體激光器和光纖光柵的耦合效率。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1是本發(fā)明鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提出的鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器的一個(gè)具體實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其中包括一半導(dǎo)體激光器1，該半導(dǎo)體激光器1構(gòu)成整個(gè)器件的激光增益裝置，其中間為量子阱結(jié)構(gòu)有源層4，在該半導(dǎo)體激光器1上制作有激光器電極9；該半導(dǎo)體激光器1內(nèi)端面鍍制增透膜7；一電吸收調(diào)制器2，在該電吸收調(diào)制器2上制作有調(diào)制器高頻電極8，該電吸收調(diào)制器2與半導(dǎo)體激光器1集成在同一芯片上，該電吸收調(diào)制器2構(gòu)成整個(gè)器件的調(diào)制裝置4；該電吸收調(diào)制器2的端面鍍制高反射膜6；其中間為量子阱結(jié)構(gòu)電吸收層5；一單模光纖3，該單模光纖3的端面被加工成光纖透鏡10，使耦合效率盡可能高，以增加半導(dǎo)體激光器1和光纖光柵11的耦合效率；光纖3的端面鍍制增透膜；一光纖光柵11，該光纖光柵11制作在單模光纖3上；該光纖光柵11與半導(dǎo)體激光器1對(duì)接耦合。
下面將根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施例來進(jìn)一步描述本發(fā)明。圖2是本發(fā)明提出的鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器的一個(gè)具體實(shí)施例的示意圖。圖中顯示了該鎖模光柵外腔半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)，主體包括一個(gè)半導(dǎo)體激光器1，電吸收調(diào)制器2，以及光纖3中的光纖光柵11所構(gòu)成的外腔三部分。光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器諧振腔的光反饋裝置由電吸收調(diào)制器2鍍制高反膜6的端面和光纖光柵11共同構(gòu)成。其中4為半導(dǎo)體激光器1中生長量子阱結(jié)構(gòu)的有源區(qū)，電吸收調(diào)制器2中生長量子阱結(jié)構(gòu)的電吸收層5。通過激光器電極9注入電流IDC到量子阱結(jié)構(gòu)有源層4中產(chǎn)生光增益對(duì)光進(jìn)行放大，高頻射頻電路12通過調(diào)制器高頻電極8將射頻調(diào)制信號(hào)fRF和直流信號(hào)-I2反向加載到電吸收調(diào)制器2的量子阱結(jié)構(gòu)電吸收層5中，利用量子限制斯塔克效應(yīng)使電吸收調(diào)制器2的吸收系數(shù)隨外加電場(chǎng)的變化而發(fā)生周期性變化，從而對(duì)光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器諧振腔內(nèi)的光形成損耗調(diào)制。
為了保證從半導(dǎo)體激光器1發(fā)射的光能夠盡量多地耦合進(jìn)單模光纖3中，以及由光纖光柵11選擇反饋回的光能夠盡量多地耦合進(jìn)半導(dǎo)體激光器1中，即半導(dǎo)體激光器1和單模光纖3之間的耦合效率足夠大，這就要求對(duì)單模光纖3的端面進(jìn)行特殊加工，形成光纖透鏡10，同時(shí)在半導(dǎo)體激光器1的內(nèi)端面處鍍制增透膜7，以增大半導(dǎo)體激光器1和單模光纖3之間的耦合效率，并減小對(duì)光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器不利的法布里-伯羅(Fabry-Perot)腔效應(yīng)。光纖光柵11的制作可以利用光敏光纖的光敏特性用紫外光寫入的方法實(shí)現(xiàn)。光纖光柵11的溫度敏感性比半導(dǎo)體激光器1有源區(qū)材料低很多，光纖光柵11的反射波長相對(duì)于半導(dǎo)體激光器1的激射波長來說其溫度漂移要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此耦合光纖光柵11后的外腔半導(dǎo)體激光器不需要特殊的溫度控制裝置就可以使輸出光波長相對(duì)穩(wěn)定。由于光纖光柵11反射波長的控制非常方便，因此通過半導(dǎo)體激光器1與具有不同反射波長的光纖光柵11的耦合就可以方便地獲得所需要的波長。
由于本發(fā)明提出的鎖模光柵外腔半導(dǎo)體激光器采用腔內(nèi)光調(diào)制方式，載流子以及光子在腔內(nèi)的濃度分布是動(dòng)態(tài)變化的，從光纖光柵11右端輸出的脈沖光帶有一定程度的啁啾，這對(duì)于高速光纖通信系統(tǒng)是不利的。為此，光纖光柵11可制作為啁啾光柵，以對(duì)脈沖光的啁啾進(jìn)行抵消補(bǔ)償。啁啾光柵的光柵周期按照?qǐng)D2所描述方向分布，即周期較長的部分在左，周期較短的部分在右；或者按反向配置。具體配置方向由光脈沖啁啾的正、負(fù)特性確定，因此提供了兩種啁啾光柵的光柵周期分布方式可供選擇。另外，由于啁啾光柵的時(shí)延曲線近似為線性，因此本發(fā)明提出的鎖模光柵外腔半導(dǎo)體激光器的有效腔長是隨波長變化的，可以通過改變射頻電路的調(diào)制頻率方便地調(diào)諧鎖模脈沖的重復(fù)頻率和脈沖波長。這些特點(diǎn)對(duì)于低成本高性能的應(yīng)用將非常有價(jià)值。
電吸收調(diào)制器2由于晶體生長等因素會(huì)形成一定的結(jié)電容，再加上后期工藝制作高頻電極8時(shí)也不可避免地形成一定的寄生電容，因此導(dǎo)致了電吸收調(diào)制器2的調(diào)制頻率受到了限制。本發(fā)明提出的鎖模光柵外腔半導(dǎo)體激光器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，可以利用分?jǐn)?shù)諧波(sub-harmonic)鎖模效應(yīng)，使射頻調(diào)制頻率僅為光柵外腔半導(dǎo)體激光器諧振腔縱模頻率間隔的1/N，即可以獲得與光柵外腔半導(dǎo)體激光器諧振腔縱模頻率間隔相同的光脈沖輸出頻率，這樣就達(dá)到了用較低的調(diào)制頻率獲得較高重復(fù)頻率(N倍于調(diào)制頻率)的光脈沖的目的。
權(quán)利要求
1.一種鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中包括一半導(dǎo)體激光器，該半導(dǎo)體激光器構(gòu)成整個(gè)器件的激光增益裝置，其中間為量子阱結(jié)構(gòu)有源層，在該半導(dǎo)體激光器上制作有激光器電極；一電吸收調(diào)制器，在該電吸收調(diào)制器上制作有調(diào)制器高頻電極，該電吸收調(diào)制器與半導(dǎo)體激光器集成在同一芯片上，該電吸收調(diào)制器構(gòu)成整個(gè)器件的調(diào)制裝置，其中間為量子阱結(jié)構(gòu)電吸收層；一單模光纖；一光纖光柵，該光纖光柵制作在單模光纖上；該光纖光柵與半導(dǎo)體激光器對(duì)接耦合。
2.如權(quán)利要求1所述的鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其中電吸收調(diào)制器的端面鍍制高反射膜。
3.如權(quán)利要求1所述的新型鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其中半導(dǎo)體激光器內(nèi)端面鍍制增透膜。
4.如權(quán)利要求1所述的新型鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其中光纖的端面鍍制增透膜。
5.如權(quán)利要求1所述的新型鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其中單模光纖的端面被加工成光纖透鏡，使耦合效率盡可能高，以增加半導(dǎo)體激光器和光纖光柵的耦合效率。
全文摘要
一種鎖模光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其中包括一半導(dǎo)體激光器，該半導(dǎo)體激光器構(gòu)成整個(gè)器件的激光增益裝置，其中間為量子阱結(jié)構(gòu)有源層，在該半導(dǎo)體激光器上制作有激光器電極；一電吸收調(diào)制器，在該電吸收調(diào)制器上制作有調(diào)制器高頻電極，該電吸收調(diào)制器與半導(dǎo)體激光器集成在同一芯片上，該電吸收調(diào)制器構(gòu)成整個(gè)器件的調(diào)制裝置，其中間為量子阱結(jié)構(gòu)電吸收層；一單模光纖；一光纖光柵，該光纖光柵制作在單模光纖上；該光纖光柵與半導(dǎo)體激光器對(duì)接耦合。
文檔編號(hào)G02B6/42GK1665083SQ200410007710
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2004年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月5日
發(fā)明者陳少武, 徐慶揚(yáng) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所